2012 Fiscal Year Research-status Report
２次元量子固体フラストレート量子スピン系における非磁性置換とバリスティック熱伝導
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23540401
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
森下 將史 筑波大学, 数理物質系, 助教 (90251032)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高木 丈夫 福井大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00206723)
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| Keywords | ２次元 / 量子固体 / ヘリウム / グラファイト / 熱容量 / 熱伝導 |
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| Research Abstract |
グラファイト上吸着ヘリウム３薄膜は２原子層目までは固化可能であり、スピン1/2の２次元量子スピン系を与える。２原子層目に生ずる4/7相と呼ばれる整合固相では、三角格子上反強磁性量子スピン系が実現し、フラストレーションの強い特異な状態となる。ここで４分の１のヘリウム３を非磁性なヘリウム４に置換するとカゴメ格子上の反強磁性量子スピン系が実現できると考えられる。カゴメ格子実現の確証を得て、三角格子との比較を行うことが本課題の１テーマである。
一方、純粋なヘリウム４薄膜も同様に4/7相に固化するものと信じられており、超流動固体の舞台として期待されている。しかし、4/7相には固化しないとの理論予測がある上、昨年度までの研究の結果も固化しないことを示唆していた。ヘリウム４薄膜自身は熱容量が小さく、その状態を知ることは困難であるため、昨年度は、ヘリウム４薄膜に少量のヘリウム３を混入し、これが自由に運動しているか局在しているかを熱容量測定により観測した。昨年度の測定では、薄膜がヘリウム３濃度の異なる２つの相に相分離しており、温度の上昇に伴う混合の熱容量が、観測を阻害していた。
今年度は、相分離を生じないようヘリウム３の量を0.2%程度と非常に希薄にし、同様の測定を行った結果、4/7相の面密度よりも高い、３層目が生じ始める面密度まで固化が生じないことを示した。4/7相が存在しないことは理論予測と一致するが、固化を生ずる面密度については、一致は良くない。
ヘリウム４薄膜に１原子層目についても吸着構造の理解が遅れている。低面密度の流体相から面密度を増大していくと1/3整合相を生ずることはほぼ確からしいが、その構造相転移の様子や、さらに高面密度領域の状態は不明な点が多い。２層目と同じ手法での測定を行っているが、従来の予測とは異なる構造相図が得られつつあり、測定を継続中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
２次元量子スピン系の理想的なモデル物質として、グラファイト表面上に吸着したヘリウム３薄膜を熱容量・熱伝導測定を中心に研究している。装置の不具合のために、バリスティックな熱伝導の観測に充分な超低温度を得ることが困難な状況であるため、測定が比較的容易な非磁性置換について、主に研究を行っている。カゴメ格子が実現されるかが当面の課題であるが、その中で、ヘリウム４薄膜吸着第２原子層はは4/7相と呼ばれる整合固相には固化しないという予想もしない可能性が浮上し、少々脇道にそれる状態になった。しかし、カゴメ格子が実現しているかどうかの検証のためには、ヘリウム４の4/7相への固化の有無の確認は不可欠である。さらに、２次元版の超流動固体の可能性が指摘されている観測結果について知見を得る意味でも、4/7相の有無は非常に重要な意味を持つ。ヘリウム４薄膜が4/7相には固化しないとの重要な知見を得た他、吸着第１原子層に対し行った同様の測定においても、重要な知見が得られつつある。測定に忙殺され、新たな測定装置の製作や、冷凍機の修復は遅れているが、研究としては、おおむね順調に進展していると自己評価する。
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| Strategy for Future Research Activity |
グラファイト上のヘリウム薄膜吸着第１原子層について、少量のヘリウム３を混入してその熱容量を測定し、その状態について知見を得る。特に、1/3相と呼ばれる整合固相を与える面密度の周辺において、構造相転移の様子を観測する。
これらと並行して、冷凍機等の不具合の整備を行い、超低温度における磁場中熱容量・熱伝導の測定を再開し、バリスティック熱伝導についてさらなる知見を得る。特に、これまで高温での測定結果を外挿して考察を行っていたグラファイト自身の熱伝導度について、実際に超低温度までの測定を行い、ヘリウム３薄膜の熱伝導について精密な議論を行う。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
研究費は当初の予定通り、装置の製作・整備のための材料費・工作費、低温寒剤などの料金、シミュレーション用のワークステーションの他、学会旅費、論文投稿の費用として使用する。特に、繰り越している助成金については、遅れている装置の製作・整備の費用に充てる。
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